有轨电车车载超级电容无线充电恒流输出控制方法的研究

摘要

将超级电容作为储能装置应用于现代有轨电车无线电能传输技术(Wireless Power Transfer，简称WPT)中，可以实现灵活、安全、成本较低的现代有轨电车无接触网供电技术。在WPT系统中，由于原、副边无接触，系统的输出控制通常采用无线通信的方式来实现闭环控制，这种方式会带来通信延时、误码率高等问题。本文针对原、副边无通信的超级电容恒流充电的控制方法进行研究，在保证原边电流恒定的基础上，实现对超级电容充电电流的控制，并利用仿真和实验验证了控制方案的有效性。
　　本文首先对SS型WPT系统进行建模，主要包括两部分:利用互感模型建立了SS型WPT系统的稳态模型，并对电路进行了分析，推导了超级电容等效电阻的模型，并对系统的传输特性进行分析，主要包括互感和等效电阻对电压增益、电流增益、传输效率、传输功率的影响;建立了原边电路和副边电路的动态模型，分别推导了它们的传递函数。
　　其次，对无通信情况下的超级电容恒流充电控制方案进行研究，主要分为两部分。第一，利用互感模型，对原边恒流及超级电容充电电流恒定的控制方案进行分析，确定了通过移相控制保持原边电流恒定，通过控制buck电路的占空比来保持超级电容充电电流恒定的控制方案的可行性，并根据最优负载的公式，推导出效率较高情况下原边电流参考值及超级电容充电电流参考值的选择方法。第二，根据原、副边的传递函数，对原、副边的控制器参数进行设计，利用MATLAB/Simulink仿真软件验证了控制方案的有效性。
　　最后，利用实验室1kW实验平台对提出的控制方案进行了验证。主要包括:副边开环时，在负载突变的条件下，验证了原边控制器的稳定性及有效性;加入副边闭环控制后，在负载突变的条件下，原边控制器及副边控制器设计的有效性;进行了超级电容恒流充电实验，同时，测量了超级电容电压、电流相同时，原边电流不同时的WPT系统的效率，验证了原边电流参考值选择方法的正确性。

目录

声明

致谢

摘要

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 大功率无线电能传输技术发展现状

1．2．2 无线电能传输技术控制方法研究现状

1．3 论文主要研究内容

2 现代有轨电车无线电能传输系统分析

2．1．1 高频逆变电路

2．1．2 谐振耦合电路

2．1．3 单相不控整流电路

2．1．4 DC-DC变换电路

2．1．5 超级电容等效电阻

2．1．6 SS型WPT系统的传输特性分析

2．2 WPT系统动态模型

2．2．1 原边电路的动态模型

2．2．2 副边电路的动态模型

2．3 本章小结

3 现代有轨电车恒流输出控制

3．1 基于原边恒流的超级电容恒流充电控制方法分析

3．1．1 原边移相恒流控制原理及分析

3．1．2 超级电容恒流充电控制原理及分析

3．1．3 基于最优负载的电流参考值的选择

3．2 基于原边恒流的超级电容恒流充电控制方法的控制器设计

3．2．1 原边电流控制器的设计

3．2．2 副边电路的控制器设计

3．3 仿真验证

3．4 本章小结

4 无线电能传输系统实验

4．1．1 原边主电路

4．1．2 耦合线圈

4．1．3 副边整流电路

4．1．4 副边buck调节电路

4．1．5 原边逆变器驱动电路

4．2．1 负载切换时的原边恒流实验

4．2．2 负载变化时的双边恒流实验

4．2．3 超级电容充电实验

4．3 本章小结

5 结论与展望

参考文献

作者简历及攻读硕士学位期间取得的研究成果

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